[01475776]石墨烯量子点修饰Co3O4电极的柔性微型超级电容器

1.项目概况：项目名称：石墨烯量子点修饰Co3O4电极的柔性微型超级电容器专项资金类别：科学研究计划专题名称：一般项目专题项目编号：201804010399背景：电子器件的微型化以及便携式智能可穿戴设备的快速发展,使柔性、轻质、高效、环保的微型能源储存装置备受关注。其中,超级电容器因其结构简单、制作方便、功率密度高、充放电速度快以及循环寿命长等优点,已成为微型柔性能源储存器件的研究重点。美国Maxwell,日本Nec和上海奥威科技等企业均将柔性微型超级电容器确立为下一代微型存储装置的重点方向。传统的柔性超级电容器为“三明治”结构,即两个薄膜电极由固体电解液隔开。这类平面型的储能器件,有较大的质量/体积比,单位体积储存的能量有限,无法满足微型电子器件的应用要求;再者,柔性平面遭遇弯曲时,电极材料的结构易破坏,使比容量和使用寿命下降,这也限制了其在柔性微型储能器件中的应用。因此,新型柔性微型储能器件的研究已成为该领域的一个热点。 2. 研究目的与意义对柔性微型超级电容器而言,电极材料的合理选择和微观结构的优化是提高器件使用寿命和能量密度的有效途径,也是超级电容器领域的重要研究内容。双电层性质的碳材料如石墨烯、碳纳米管、活性炭,泡沫碳等具有较好的导电性、稳定性,得到广泛研究。但碳材料比容量相对较低,导致单一碳材料器件的能量密度受到限制。过渡金属Co氢氧化物的理论比容量高,充放电过程中,Co3+/Co2+离子氧化还原活性高,可逆性强,是一种很好的候选电极材料,但电子传输阻力较大。优化其的纳米结构,增加与电解液的接触面积,加快离子传输速率,降低离子扩散阻力,是该电极材料应用的关键。项目的研究,达到以下目的：1)掌握了纳米孔Au线的制备工艺、柔性GQDs/Co（OH）2复合电极的制备工艺以及线性结构柔性微型超级电容器的组装工艺。2)获得了高能量密度、高稳定性柔性GQDs/Co（OH）2//AC微型超级电容器。3)理解了GQDs/Co（OH）2协同效应作用机理和电极的电化学动力学过程。 3.主要论点与论据;（1） 一步共沉积法制备的GQDs/Co（OH）2复合材料,GQDs均匀分布在Co（OH）2纳米片表面。在1.0 mA cm-2时,GQDs/Co（OH）2的面积比容量为273 mC cm-2。GQDs/Co（OH）2//AC全固态线型超级电容器在经过10000次充放电循环后,容量为初始容量的99.5%,1000次弯曲试验后几乎没有容量损失,在体积功率密度为69.9 mW cm-3时,具有最大体积能量密度为2.3 mWh cm-3。（2） 当GQDs吸附在Co（OH）2表面时,GQDs的p轨道与Co（OH）2的电子态之间几乎没有杂化,这种独特的界面结构还可能促进电解质离子的扩散和电荷从电极转移到集流体,这有助于GQDs/Co（OH）2电极的电导率。界面结构还可能促进电解质离子的传输和电荷从电极转移到集流体,添加GQDs有利于提高电极及器件性能。（3） 在Au-Ag合金表面先恒压电沉积Ni膜,再一步共沉积法制备GQDs/Co（OH）2复合纳米材料,形成GQDs/Co（OH）2复合纳米材料。面积比容量为633.9 mC cm-2。GQDs/Co（OH）2/Ni与AC组装的非对称全固态线型超级电容器在体积功率密度为400 mW cm-3时,体积能量密度高达18.58 mWh cm-3;当体积能量密度为13.13 mWh cm-3时,体积功率密度高达1890 mW cm-3。经过10000次循环后器件具有较高容量保留率96%和较好的柔韧性、机械稳定性。 4.创见与创新;（1） 纳米孔Au线为柔性微型线性超级电容器为基底2)GQDs/Co（OH）2//AC 柔性线型超级电容器的制备;（3）可无线充电GQDs/Co（OH）2/Ni//AC柔性线型超级电容器。 5社会经济效益,存在的问题;项目的研究,有望在便携式可穿戴设备及无线充电微型器件领域进行推广应用。原预期将研究结果得无线充电系统直接应用于心脏起搏器等,但在应用实验研究方面,因各种原因,难以开展。 6历年获奖情况;无7. 成果简介要向社会公开,请不要填写商业秘密内容。项目通过一步共沉积法在多孔Au-Ag微米线表面制备GQDs/Co（OH）2、GQDs/Co（OH）2/Ni复合纳米材料,通过第一性原理计算,探索了复合材料界面相关的原子电子性质,发现GQDs有利于材料电导率的提高和电子的转移。在验证复合材料优异电化学性能的基础上,组装GQDs/Co（OH）2//AC、GQDs/Co（OH）2/Ni//AC非对称线型全固态超级电容器,并构建无线充电系统。项目研究过程共发表SCI学术论文5篇,申请发明专利6件。项目的研究成果可在可穿戴设备及植入性电子设备中应用。